Méthodes expérimentales Sommaire du chapitre
2.3 Moyens de diagnostic
Afin de décrire la dynamique de la plaque ainsi que les conséquences de la déflection sur le sillage, divers moyens de diagnostic ont été mis en œuvre.
Visualisation par caméra digitale La déformation de la plaque soumise au forçage externe est filmée à travers les parois transparentes du montage. Un camé-scope grand public Sony Handycam HDR-SR11E placé sur le côté enregistre les déformations de la plaque. Le caméscope fonctionne à 25 images/sec mais un mode d’enregistrement rapide permet d’obtenir une fréquence d’acquisition de Facq = 240 Hz qui a été utilisée pour les fréquences de forçage les plus élevées. Les images acquises à partir du mode rapide sont entrelacées. En conséquence, les vidéos ont été désentrelacées, les rendant progressives et facilitant leur analyse. La pleine résolution du capteur CMOS est de 1440×1080 pixels, ce qui est suffisant pour accéder à la forme de la plaque au cours des expériences.
Dans un premier temps, le suivi des extrema du déplacement de la plaque a été traité sur les vidéos par un algorithme de détection et de suivi en position développé sous le logiciel Matlab. Toutefois, l’analyse vidéo s’est avérée insuffisante pour détecter la réponse du bord de fuite. En effet, lorsque la fréquence F & 3 Hz, des déformations légères selon l’envergure émergent, faussant par l’occasion la traque de l’amplitude du bord de fuite. En conséquence, la réponse de la plaque caractérisée par l’amplitude de déplacement du bord de fuite est mesurée par les capteurs de déplacement. C’est à l’aide des vidéos, que le profil de déformation de la plaque au cours du forçage a été dressé.
Jeu de lentilles
Capteur CCD
Emission laser Lentille
Objet à détecter
Figure2.3 – Principe de fonctionnement du capteur de déplacement basé sur la triangu-lation optique.
Capteur de déplacement La dynamique du bord de fuite sous l’effet du forçage, de la rigidité et de la vitesse de l’écoulement, est mesurée par un vibromètre laser
2.3 Moyens de diagnostic Moyens de diagnostic
Keyence de type LK série G-402. Ce vibromètre laser fonctionne sur le principe de triangulation optique. Lorsque le faisceau est retourné par un objet, il arrive sur une matrice optique, qui en fonction du/des pixel(s) illuminé(s), donne le déplace-ment de l’objet considéré (figure 2.3). La précision spatiale des mesures donnée par le constructeur est 1 µm. Une interface utilisateur permet de définir la durée et la fréquence d’échantillonnage, ainsi que l’acquisition elle-même, avec la nature de la surface à suivre. Deux capteurs de ce type ont été utilisés pour mesurer simul-tanément l’amplitude de réponse du bord de fuite en fonction de celle imposée au bord d’attaque (figure 2.1(a)). Une attention particulière est accordée au position-nement de la tête laser du bord de fuite puisque l’amplitude varie, entraînant avec celle-ci l’angle réfléchi du signal laser. Ce phénomène engendre des décrochements fréquents lorsque l’amplitude et la pente de la plaque deviennent trop importantes. On notera toutefois que seul le déplacement pic-à-pic nous intéresse : en d’autres termes, seuls les points correspondant aux extrema de la plaque sont à retenir dans l’analyse de la dynamique. En effet, pour nos essais, une fréquence d’acquisition égale à 250 Hz (soit 4 ms de période) et un nombre de points variant de 12000 à 3000 lorsque la fréquence du forçage augmente, donnent une bonne résolution tem-porelle. Le nombre de points est fixé de manière à avoir au minimum une dizaine de périodes d’oscillation de la plaque.
Visualisation par colorant La visualisation par colorant est une méthode sim-ple pour illustrer des phénomènes fluides. En injectant un traceur, on peut visualiser des effets du mouvement de la plaque sur le fluide. Le traceur utilisé est la fluo-rescéine, verte à la lumière du jour, elle devient fluorescente lorsqu’elle est excitée par des longueurs d’onde autour des ultraviolets. Un laser continu à Argon Ion de puissance maximale 8 W (Spectra Physics modèle Stabilite 2017) émet une longueur d’onde de 488 nm (couleur bleue). Le faisceau laser est étiré en nappe par le biais d’une lentille cylindrique, ce qui permet de visualiser un plan de l’écoulement, mis en évidence par la fluorescéine. Elle est soit injectée à travers un capillaire de façon à avoir un filet fluide à l’amont de la plaque, soit elle est directement appliquée sur la plaque. Une solution fortement concentrée en fluorescéine mélangée à un retar-dateur (Liquitex, gel medium) est appliquée sur la plaque à l’extérieur du canal. Une fois immergée dans la veine d’essai, on peut alors réaliser des visualisations sur des temps de l’ordre de deux minutes. Cette technique est préférée puisque les sources de la vorticité et du colorant sont confondues, permettant ainsi de suivre les vortex de leur formation dans les couches limites jusqu’à leur expulsion dans le sillage au bord de fuite. La diffusion du traceur est beaucoup plus faible que celle de la vorticité, puisque le nombre de Schmidt défini par Sc = ν∗
c/Dc ≫ 1, avec ν∗
c et Dc respectivement la viscosité cinématique et la diffusion moléculaire du colorant [34]. Ce qui signifie que la fluorescéine continue d’exposer les motifs
créés par la vorticité bien après que celle-ci ait complètement diffusé. Il est toutefois important de noter que cette technique n’a été utilisée que de façon qualitative. Les visualisations sont réalisées grâce à un appareil photographique Nikon D200 en mode rafale à 4 images/sec. La mise au point est faite sur le premier vortex lâché dans le sillage par le bord de fuite. Les aberrations de l’objectif ne permettent pas d’avoir une image nette sur les bords. Cette remarque s’applique également aux images acquises par la méthode PIV. Le temps d’ouverture du capteur est déter-miné de façon à avoir, à la fois une image nette des vortex, et à la fois assez de lumière pour visualiser ces vortex, puisque la puissance disponible du laser continu est limitée. Un objectif autofocus est un plus pour faire une première mise au point sur le phénomène, puis le mode manuel de mise au point permet de perfectionner la netteté sur le phénomène souhaité.
Vélocimétrie par images de particules La vélocimétrie par images de par-ticules consiste à suivre des traceurs dans un écoulement. Puis, à partir de leurs déplacements et du temps entre chaque image, la cartographie des vitesses locales est déduite. L’ensemencement se fait par des particules sphériques (traceurs) de di-amètres 30-100 µm recouvertes d’argent réfléchissant la lumière (marque Optimage PIV Seeding Powder pour les particules de 30 µm). Le choix de la taille de partic-ules est fonction du phénomène à capturer. Dans notre cas, des particpartic-ules de 30 et de 100 µm de diamètre ont été utilisées en fonction de l’ensemencement existant dans la veine d’essai. La taille des particules est suffisante pour illustrer les vor-tex dans le sillage. Il est toutefois déconseillé de mélanger des particules de tailles trop hétérogènes dans un écoulement. En effet, lors du réglage de la luminosité opti-male des images ensemencées, les plus grosses particules auront tendance à réfléchir davantage la lumière que les petites particules, provoquant la saturation d’un ou plusieurs pixels sur le capteur de l’appareil photographique. On constate également que les grosses particules sédimentent rapidement, cela étant dû aux faibles vitesses d’écoulement considérées dans nos expériences. Un compromis s’impose donc dans le choix des particules à suivre. En effet, une fois incluses dans l’écoulement, elles sont éclairées par une nappe laser générée par deux lasers pulsés de type Nd :YAG (Yttrium Aluminium Garnet) doppés au Néodyme (Big Sky Laser de Quantel, 2 × 174 mJ à 532 nm).
Deux images espacées dans le temps d’un ∆T connu sont acquises par une caméra haute résolution. Une intercorrélation des deux images donne un champ de vitesse local. La figure 2.4(a) montre la densité de particules à avoir pour une résolution des champs de vitesse ainsi que le principe de l’intercorrélation entre deux images prises à un intervalle ∆T petit devant le phénomène à analyser. Les traitements des images de particules se font grâce au logiciel DPIV-Soft développé au sein du laboratoire IRPHE [58]. Chaque image de particules est découpée en
2.3 Moyens de diagnostic Moyens de diagnostic
petites boîtes. Une première intercorrélation est appliquée sur chaque boîte séparée temporellement par ∆T . Puis une deuxième intercorrélation est appliquée sur les mêmes boîtes légèrement réorientées et déformées suivant les gradients des déplace-ments de la première intercorrélation. Les résultats ainsi obtenus sont nettement améliorés. La taille typique des boîtes lors des corrélations est 32×32 pixels au premier tour et 16×16 pixels au second tour. La résolution de la méthode est de 1/2 pixel [58]. Il est cependant nécessaire de déterminer avec précision le temps ∆T entre chaque image pour ne pas perdre de particules entre deux images suc-cessives. Il en est de même pour la calibration spatiale afin d’avoir des champs de vitesse pouvant être analysés. L’ensemencement de l’écoulement doit être accompli avec soin, puisqu’il conditionne la taille des boîtes d’intercorrélation, donc de la précision de la vitesse mesurée. Typiquement, un bon ensemencement est de 5 à 20 particules dans chaque boîte. En-dessous de 4 particules, les intercorrélations deviennent difficiles à trouver et en-dessus de 30 particules, l’identification entre chaque image est floue. L’ensemencement de l’écoulement est donc une étape cru-ciale dans l’obtention de champs de vitesses de qualité. La taille du capteur de la caméra (modèle Redlake) est de 4000×2672 pixels, soit une définition maximale de la caméra de 11 millions de pixels. La fréquence d’échantillonnage est de 10 Hz fixe. La nappe laser, dont l’épaisseur et la largeur sont définies au moyen d’un jeu de lentilles sphériques et cylindriques, est pulsée depuis le bas. La nappe, verticale et parallèle à l’écoulement, est placée au milieu de l’envergure de la plaque et est centrée sur le bord de fuite. L’alignement entre la nappe laser et le capteur de l’ap-pareil photographique doit être ajusté avec attention pour conserver le maximum de particules entre deux images. Un exemple de sillage moyen généré par le mouve-ment de la plaque est présenté sur la figure 2.4(b). Le champ de vitesse moyennée dans le temps montre clairement un jet caractéristique d’un sillage propulsif.
(a) T + ΔT T (b) 3 cm 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 −1 −0.5 0 0.5 1 U/ U0 Y / C (c) (c)
Figure2.4 – (a) Principe des évaluations successives des boîtes pour les intercorrélations. (b) Exemple de champ de vitesse moyennée temporellement résultant pour la plaque flexible
B = 0.018 Nm dans un écoulement à Re = 6000. (c) Profil de vitesse moyenne associé pris
Capteur de force La force générée par l’oscillation de la plaque est mesurée par deux capteurs de force en “S” entièrement submersibles de marque Futek modèle LSB210 de capacité maximale 250 g. Les mesures sont faites par des jauges de contraintes. Lorsque l’actuateur linéaire fonctionne, les capteurs de force mesurent un signal très bruité. Pour réduire ces interférences, ils sont alimentés par une alimentation de laboratoire de 6 V et les connexions se font à travers un boîtier en aluminium assurant le blindage du câblage. Un étalonnage des capteurs sous une alimentation de 6 V confirme la linéarité en traction/compression des capteurs établis par le constructeur tout en donnant des courbes d’étalonnage de la force en fonction de la tension différentes. Les lois d’étalonnage sont Fc1= 0.95 × tension + 5.32 et Fc2 = 1.05 × tension + 5.83 respectivement pour les capteurs 1 et 2 (figure 2.5(a)). Tandis que le constructeur fournit Fc1 = Fc2 = 0.26 × tension sous une tension d’alimentation de 10 V (figure 2.5(b)). L’acquisition du signal temporel de la force se fait à travers une interface Labview développée au cours de la présente thèse. La volonté de mesurer la force générée par la plaque a conduit à modifier le montage de l’expérience. Les capteurs fonctionnant en traction/compression, sont montés dans le sens de l’écoulement, c’est-à-dire dans le sens de poussée ou traînée dans le sillage. Le montage se fait en port-à-faux entre le “U” inversé et l’axe moulé en bord d’attaque (figure 2.1). Des petites cales sont nécessaires pour maintenir l’ensemble {vis de raccord pour liaison du cadre en “U” inversé + capteur de force + vis de raccord pour axe moulé} par une liaison rigide.
−10 −8 −6 −4 −2 0 −4 −2 0 2 4 fo rc e (N ) tension sortie (V) (a) capteur 1 capteur 2 −9 −6 −3 0 3 6 9 −4 −2 0 2 4 fo rc e (N ) tension sortie (V) (b) capteur 1 capteur 2
Figure 2.5 – Courbes d’étalonnage en traction compression des capteurs de force (a) obtenues expérimentalement et (b) issues des données constructeur.
Bien que ces capteurs soient faits pour une utilisation statique, le constructeur estime la réponse en fréquence à environ 500 Hz (information demandée par email), amplement suffisante pour les essais envisagés.
2.4 Conclusion Conclusion
2.4 Conclusion
Même si un système expérimental était installé à mon arrivée, j’ai dû l’adapter pour répondre aux besoins de l’étude proposée dans le cadre de mon doctorat. J’ai également procédé à la mise en œuvre des différents moyens de diagnostic.
On retiendra donc que le système expérimental permet de caractériser la réponse de la plaque en fonction de ses paramètres de forçage (amplitude ALE et fréquence
F ), de sa rigidité B et de la vitesse de l’écoulement U imposée. La réponse de
la structure ayant un fort impact sur le sillage, celui-ci est également examiné de même que sa rétroaction sur la structure. On s’intéressera dans un premier temps à la dynamique de la plaque grâce à l’étude de réponse en amplitude et en fréquence de plaques de différentes flexibilités. Une fois la dynamique de la structure connue, le sillage généré sera quantifié pour enfin connaître l’interaction fluide/structure à travers la poussée générée.